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报告/2024.4具有高成本效益的电网交互式节能建筑美国某零售建筑集群的脱碳潜力rmi.org/4具有高成本效益的电网交互式节能建筑执行摘要.5 电网交互式节能建筑介绍.7什么是电网交互式节能建筑（GEB）？.7脱碳建筑改造项目取得成功的基本要素.8零售建筑集群项目背景.9建模方法.12投资方案与结果.14内部收益率为10%的方案.15内部收益率为6%的方案.18热泵方案.21改造措施分析.23在各气候区和电费类型中的可行性.23需求管理策略.24电网交互式节能建筑对电力需求的影响.25适用于整个零售行业的洞察.29对其他项目的好处.30总结.32参考文献.33目录rmi.org/5具有高成本效益的电网交互式节能建筑研究目的本研究评估了电网交互式节能建筑（Grid-interactive Efficient Building,GEB）在美国某大型零售商的建筑节能改造项目中的潜在价值，并制定了一项能源项目投资计划，分析评估了如何最大程度地提高商店的能效、降低能源成本、减少碳排放并使其作为电网的资源。报告还提供了适用于零售门店的节能措施、可再生能源发电和电网协调策略，指出了整个零售业的机遇。本研究通过深入评估该零售商旗下的零售门店，提出了包含一整套措施的优化投资方案并提供了推动脱碳的投资路径。我们在43个州、7个气候区、7种电价结构和各种现有条件下，选取了总共113家零售门店作为样本进行了分析，共评估了三种投资方案：内部收益率（IRR，可解释为一项投资的预期年增长率1）10%的方案，内部收益率6%的方案以及一个协同各类措施的热泵方案。这三种投资方案均以与零售商的讨论结果为基础，分别代表具有10%内部收益率的高收益投资门槛、实现GEB措施部署数量最大化且回报合理的6%内部收益率门槛以及建议安装热泵并与其他措施组合后能够达到10%内部收益率门槛的第三中间方案。建筑碳排放占全球碳排放的39%。为了避免气候变化产生的最坏影响，我们必须在2030年之前将排放量减少一半，GEB对此将发挥至关重要的作用，主要通过减少建筑物的能耗与排放，帮助我们的电力系统变得更清洁、可靠和稳定。本研究旨在展示零售建筑如何以低成本高效益的方式发挥GEB的潜力，如何将可再生能源、负载柔性化措施和节能措施结合起来，减少峰值能耗并帮助实现一个清洁、有弹性的电网。主要研究结果该公司目前对其旗下零售门店的用电量和电力需求的管理良好。此次分析所选的商店是全国一些最高效的零售购物中心。根据Energy Star Portfolio Manager(ESPM)I的数据，所分析的门店平均比全国94%的零售购物中心更高效。我们为这家零售商确定了几项具有高成本效益的策略来帮助它减少峰荷需求量、提高能效并减少其整体的碳排放。1.在确保6%内部收益率的情况下，该零售商可以减少37%的能源成本和27%的碳排放。在内部收益率为10%的高收益方案中，该零售商可以减少26%的年度能源成本和19%的碳排放。升级照明设备和安装屋顶太阳能是实现节能和提升成本效益的关键因素。可在50%以上的门店以具有高成本效益的方式落实需求侧响应措施。这些措施有助于提高该建筑改造项目的成本效益并在现有电网的基础上进一步减少碳排放。I Energy Star Portfolio Manager：是一个能够用来检测并追踪建筑（主要针对商业建筑）能源消耗以及二氧化碳排放的在线工具。建筑的业主可以通过上传建筑的能耗等信息，获得对于建筑能效水平的评价。能源之星计划还基于同类建筑的能耗水平，对于建筑提供能效认证和评分。执行摘要rmi.org/6具有高成本效益的电网交互式节能建筑2.通过新的或改进后的需求管理、节能和屋顶太阳能措施，该零售商的113家门店可减少约5MW或17%的电力需求。峰荷需求降低的潜力因门店而异，并受到当前设备与控制方式的影响。采用电直热采暖的门店可以减少高达50%的峰值负荷。3.在被分析的门店中，目前有17%（19家）可以通过安装热泵并结合其他节能、需求侧管理以及屋顶太阳能措施实现高成本效益。这些门店中的大多数将采用热泵替换电直热。它们可以作为积累热泵经验的试点项目。4.为了在满足投资门槛的同时，最大限度地降低峰荷需求量、提高碳减排量，需要针对具体地点制定改造方案。目前能够通过热泵和电池储能获得可观回报的门店可以作为其他门店的试点，让后者在不久的将来获得更有吸引力的回报。适用于整个零售行业的洞察该零售业建筑改造项目本身是一个高效、灵活经营的典范，本报告中的碳减排结果可供其他大型零售商场借鉴。以下是向整个行业推荐的具有高成本效益的碳减排策略：使用集中化的企业级能源管理信息系统(Energy Management Information System,EMIS)测量、监测和控制设备性能 采取需求侧灵活管理策略，例如分时段开启暖通空调设备以避免同时出现峰荷、在需求峰荷期之前预先调节空间温度（之后慢加速启动设备）。控制时序需要考虑到变化的成本和碳强度（至少每月调整一次）更换为有集成式传感器套件的LED灯具 使用大小合适的屋顶太阳能模组减少用电量 在气候较暖的地区，在屋顶上安装反射阳光的白色屋顶膜 使用空气源热泵热水器 通过将电气化与可再生能源发电、节能与用电柔性措施相结合，可以使全国许多地方的高效屋顶热泵空调机组(Rooftop Units,RTUs)发挥高成本效益。在评估能源升级方面的投资时，应考虑如何发挥出这些措施的协同作用随着联邦和州碳政策和激励措施的变化以及技术的改进，电气化和电池储能将变得更加经济。热泵改造试点项目将为这家零售商提供用于评估电气化方案经济性的更多信息。这些零售商店的运营方应定期重新评估这些措施的成本效益。在不同的电价和气候区落实GEB措施都能带来经济效益，并且无论建筑改造项目位于何处，都应该予以考虑。在公司持有的固定资产（这里特指公司旗下所属的零售商店）层面规划GEB升级将：减轻行政管理负担。通过批量采购协议减少初始成本。确保资金投入到收益最大的项目。rmi.org/7具有高成本效益的电网交互式节能建筑电网交互式节能建筑介绍什么是电网交互式节能建筑（GEB）？电网交互式节能建筑是一种能够连续、整合地优化能源使用以满足电网服务、用户需求以及降低成本的高效节能建筑。3图1 电网交互式节能建筑的典型日建筑负荷情况及其改变用电量的方式资料来源：美国能源部电网交互式节能建筑发展路线图4GEB采取五项关键策略调整建筑运营方式，以实现节省成本、提高使用者舒适度和成为电网的一项资产的目标。1.节能：在不降低使用者舒适度的情况下，持续减少全天用电量。2.降低负荷：在短时间内减少用电负荷。这一策略通常是用来响应需求计划的要求。3.错峰用电：将用电量转移到一天中的不同时段以避开高成本或高排放时段，也称为“移峰填谷”。4.调频/调压：根据电网运营商的信号，在秒级或亚秒级自主平衡电力供给/需求或无功功率吸收/供给。5.发电：利用屋顶太阳能光伏或其他现场资源满足建筑需求并将多余的电力输送到电网。节能电力需求降低负荷电力需求错峰用电电力需求发电电力需求调频/调压电力需求每天时间 每天时间 每天时间 每天时间 每天时间 rmi.org/8具有高成本效益的电网交互式节能建筑随着建筑技术和电价结构变得更加复杂，仅通过传统的用能强度(Energy Use Intensity,EUI)基准评估建筑性能将不再适合用于评价建筑集群的能效水平。现代建筑可以根据市场信号调整自身能耗，优化成本或排放。这些信号将越来越多地由电网运营商或第三方服务商提供。为了实现GEB，投资需要同时考虑建筑内部条件（如舒适度、使用率、照明），和外部条件（如市场价格信号、天气或排放）。通过加入GEB硬件和软件，可以使建筑从基本的节能措施升级到灵活的错峰用电，这既有益于建筑集群的所有者、公用事业公司，同时也满足了使用者的舒适度需求和偏好。脱碳建筑改造项目取得成功的基本要素图2 实现脱碳建筑的基本要素附图2说明了GEB战略如何帮助实现脱碳。脱碳建筑的运行不会造成导致气候变化的温室气体排放，这就需要使用零碳能源来取代现有的化石燃料系统。为了以具有高成本效益的方式实现符合巴黎气候协定的零碳建筑，就需要对建筑落实电气化和用电柔性措施，并在使用电或其他低碳能源的同时部署现场可再生能源和储能解决方案。本报告侧重于根据投资总预算及目标回报率确定具有高成本效益的GEB措施，这限制了实现碳减排量最大化的可能性。但如果侧重于碳排放，那么措施组合的选择就应该考虑最大化碳减排，而不应受到投资限额的限制。考虑电网碳排放信号的需求侧灵活调节具有较大的减碳潜力。5建筑可以管理用电负荷，以使得电网和建筑层面应用更多的可再生资源发电成为可能。在建筑群层面可以部署的能效提升措施、灵活性设施以及分布式能源是实现高成本效益脱碳的重要基础。II RECs是Renewable Energy Certificates的缩写，指可再生能源证书，用作证明可再生能源的发电量和属性，可以类比国内的绿色电力证书（绿证）。电网交互式节能建筑（GEB）效率需求用电柔性场地内可再生能源和储能零碳能源（电气化、RECsII/抵消、绿色燃料等）零碳电网零碳、可持续、柔性 建筑本研究分别评估了实现脱碳建筑的四个基本要素。rmi.org/9具有高成本效益的电网交互式节能建筑零售建筑集群项目背景本研究基于真实的建筑资产、用电量和某大型零售公司旗下门店的财务数据。作为美国最大的连锁百货公司之一，该公司门店覆盖了49个州、多个气候区和多家电力公司。由于其1200家门店中每家门店的用电情况都有所不同，因此选择哪些门店进行建模分析对于确立整个零售公司的可靠投资战略至关重要。本报告分析了GEB升级给该公司旗下具有代表性的门店所带来的潜力。图3 美国各地的门店及其用电强度（EUI）(颜色代表用电强度，大小代表了门店面积）为了提出有效的建议，研究把重点放在该零售商的350家持有时间较长的零售门店上。在这350家门店中，选择 了113家门店作为代表，其能效水平与该零售商所有的全国门店一致。在选择这些门店时，考虑了以下七个因素。现场EUI（kBtu/ft2)rmi.org/10具有高成本效益的电网交互式节能建筑图4 具有代表性的门店样本的选择标准门店选择标准变量 考虑因素州 43个州气候覆盖1-7气候区采暖方式 天然气和电力太阳能 代表组中包含有和没有屋顶太阳能装置的门店需求响应 代表组中包含已加入需求响应服务的门店电力成本 包含了从低到高的电力成本项目成本 包含了从低到高的项目成本门店规模 从约5万平方英尺到约11万平方英尺该零售商的门店目前管理良好效率基准该零售商旗下的零售门店的用电强度（EUI）为20-40 kBTU/ft2，平均值远低于能源之星的零售门店EUI中位数（103.5 kBTU/ft2）。通过采取以下节能和需求管理措施，该零售商旗下门店在一般基准条件下的平均节能等级优于94%的美国零售商场：建筑控制：该零售商安装了一个稳健的能源管理信息系统（EMIS）来监测和控制暖通空调设备以及门店内的其他终端用电设备。通过该EMIS，可按区域设置设备运行时间表与温度设定值，并且可以在企业云端上进行远程监测/控制。LED照明升级：被评估的门店中，大约有一半的门店使用了不带集成式传感器的LED灯具取代了荧光灯。照明优化：这些门店在适当区域安装了人员传感器和照明调节功能。许多能源研究的目标是将建筑能耗降低到能源之星的标准，但该零售商的门店已经超过了这个水平。除考虑建筑的EUI之外，针对电网交互式节能建筑的投资策略还需要全面考虑其他相关因素。rmi.org/11具有高成本效益的电网交互式节能建筑需求管理需求管理能力取决于精细的控制措施和建筑自动化系统。该零售商已经实施了各种减少需求的策略，以减少每月峰荷需求时段的费用。所采取的主要策略有：通过分时段启动暖通空调设备来降低需求：在EMIS中设置目标功率值，锁定压缩机的第三/第四级，并通过屋顶热泵空调系统（RTU）进行循环。当前的控制逻辑主要用于削减夏季峰值负荷。需求响应：在所分析的113家门店中，有29家门店直接或间接（与其他用能方组成聚集商）参与了需求响应计划。当被要求进行需求响应活动时，该零售商的许多门店能够进行温度回调、对建筑进行预冷、限制风机/压缩机的用电量并在该时段后慢加速启动。用电柔性和需求响应取决于足够的控制技术和市场信号。建筑在升级为电网交互式建筑后，将能够适应不断变化的电价和电网的碳排放信号。电价结构该零售商旗下的零售门店面对着各种各样的电价结构。RMI对每一类复杂问题进行了建模，将所有电价归纳为七种电价结构（见附图5）以便分析可能的关联性。电费不根据时间变化的建筑将无法从错峰用电措施中获利。图5 电价结构一览电价结构 门店数量电力需求和电价描述非季节性非阶梯电价46 费率恒定，不随用电量以及使用时段和季节而变化。非季节性阶梯电价 21费率全年保持不变。如果建筑超过某个功率或用电量限值，费率就会降低。季节性非阶梯电价 11费率取决于在一年中的用电时段，无上限值；费率不会因为建筑用电量的增加而改变。季节性阶梯电价 14费率取决于一年中的用电时段。如果建筑超过某个功率或用电量限值，费率就会降低。分时电价（TOU）5费率取决于一天中用电的时段，但全年保持统一。费率不会因为建筑用电量的增加而改变。季节性分时电价 14费率取决于一天中的用电时段和一年中的用电时间。无上限值；费率不会因为建筑用电量的增加而改变。季节性分时阶梯电价 2费率取决于一天中的用电时段和一年中的用电时间。如果建筑超过某个功率或用电量限值，费率就会降低。rmi.org/12具有高成本效益的电网交互式节能建筑建模方法RMI使用其建筑集群能源优化工具(Portfolio Energy Optimization tool,PEO)评估该113家门店。PEO采用了“规模化定制”的能源建模方法。“规模化”指该工具能够一次性生成和模拟所有113个能源模型，“定制”是指为每家门店构建一个自下而上、准确表示该门店现有条件的能源模型。在本报告中，每家门店的名字都被匿名化和标准化。该零售商旗下零售门店的信息取自客户提供的各种数据集，包括调查问卷、图纸、暖通空调控制时序、账单信息和间隔数据III。这些数据集被输入到建筑集群能源优化工具（PEO）中，生成根据每家门店情况加以校准的EnergyPlus模型。PEO建模框架图6 RMI建筑集群能源优化工具（PEO）操作步骤 针对该零售商的总体投资计划，包括每家门店的投资机会针对选中的113家门店，我们总共分析了13类措施，包括60多个能源和财务变量，共转化成4500多个能源模型。根据客户提供的投资标准和能效目标，我们以每项措施的结果为依据，选择特定门店的改造方案，并模拟计算出这些方案的相互协同作用。最终，我们对于特定门店的结果进行叠加，得出针对整个零售建筑集群的建议以及成本效益分析。以下措施被认为与该零售商的门店最为相关（该列表并未包含所有被评估的措施）各项措施的相互作用被加入到每个模型中，从而充分利用电气化协同效应所带来的降本优势。III 间隔数据：指在规定时间间隔（每15分钟或1小时）通过电表等仪器记录的建筑运行数据（如用电量、用气量等）。几何形状+位置碳排放电费负荷能源系统来自PEO数据库的每个ECM（建筑节能措施）改进后的建筑属性改造后的建筑群能耗水平针对该零售商的总体投资计划，包括每家门店的投资机会建筑群的基准能耗水平ECM组合Modelkit模板Modelkit模板基于投资方案的组合措施rmi.org/13具有高成本效益的电网交互式节能建筑图7 对该零售商建筑改造项目采取的措施类别 措施 措施内容说明用电柔性电池储能最大限度地提高错峰用电量或内部收益率冰蓄冷对热泵屋顶机组配备冰蓄冷照明调节 减少用电（不包括错峰用电）分段启动加热和冷却盘管 通过分段启动盘管或风机减少每月峰荷需求节能优化外围护保温结构屋顶和外墙的隔热每项措施包含几种不同的R值方案（如R20、R30和R40）和保温材料类型。屋顶膜深色或浅色屋顶膜优化外窗用高性能的窗户取代目前的窗户；增加玻璃膜层外门升级 安装外门风幕和快速开合的卸货门可减少渗透暖通空调升级安装高能效屋顶机组，包含热回收、调速电机、双焓经济器控制、风量调节和低压损滤芯等装置LED照明升级 LED灯改造；升级为带集成式传感器的LED灯具吊扇使用集成能源信息管理系统（EMIS）的吊扇增加风速，从而实现在提升夏季设定温度的情况下不降低室内舒适度电气化空气源热泵RTU用空气源热泵取代燃气炉可再生能源屋顶太阳能光伏系统新的太阳能光伏模组或增加现有的屋顶太阳能光伏数量。由于零售商每一幢建筑的购电协议不同而且在未来可能有变化，因此屋顶太阳能光伏系统模型计算了全生命周期持有成本（Total Cost of Ownership,TCO）。rmi.org/14具有高成本效益的电网交互式节能建筑投资方案与结果基于上述分析，我们为该零售商提供了其门店升级改造的不同方案，每个方案都有不同的净现值（NPV）、投资回收期和碳减排潜力。这些投资方案专为113家样本门店构建。它们根据零售商的投资预算以及RMI和NREL的建议制定。内部收益率为10%的方案：满足内部收益率为10%的高收益投资标准的措施可以显著减少能耗和碳排放。内部收益率为6%的方案：降低投资门槛可以最大限度地提高建筑集群可投资的用电柔性、效率和可再生项目。热泵方案：高能效热泵方案的评估是基于上述10%内部收益率的情景进行的，该方案仅选择符合投资门槛的门店接受热泵改造。图8 为该零售商推荐的每个投资方案路线的预计净现值、投资收回期和碳减排潜力需要指出的是，任何本研究提出的方案都不建议拆除任何有剩余使用寿命的设备。替换现有设备的措施按“增量成本”，即同类产品与高能效产品之间的成本差异定价。本分析没有使用对天然气或电力价格的预测，而是使用了当前的电价结构和能源价格。碳强度的计算基于EPA的eGrid计划所定义的指定州级碳排放。内部收益率为10%的方案，减少8057吨二氧化碳热泵方案减少8344吨二氧化碳投资回收期（年）净现值（百万）6方案，减少11381吨二氧化碳rmi.org/15具有高成本效益的电网交互式节能建筑内部收益率为10%的方案所有收益率超过10%的单一措施都被归入到一个组合中，以便计算组合中所有措施的总体效果。当多个措施之间存在竞争关系时，则选择内部收益率最高的方案。在满足投资收益率门槛的前提下，热泵和太阳能协同应用将被纳入投资方案中。但需要注意，过高的投资收益率要求会限制方案的减排潜力。主要结论：该零售商可以在保证10%内部收益率的情况下，减少26%的年能源支出和19%的碳排放。投资1190万美元将产生500万美元的净现值回报。节电主要通过安装屋顶光伏和更换集成传感器的LED灯具实现，这些措施贡献了80%的净现值。照明升级减少了建筑内部得热，使得供暖的天然气用量略有增加。用电柔性具有一定的成本效益，但对净现值的影响相对较小，因为该零售商旗下的门店已经使用了需求管理措施。PEO工具所采取的规模化定制方法帮助我们为每家门店确定了具有高成本效益的GEB策略。如下图所示，每家门店的投资潜力差异很大。以下分析可以帮助识别高价值项目，并将其在选定门店开展试点，以验证模型结果的有效性。1190万美元投资机会500万美元（净现值）每年减少26%的能源支出5年投资收回期14307 MWh每年节省16%的电力5 MW每年减少17%的用电峰值需求（18243）Thermi每年增加3%的天然气用量每年减少8057吨二氧化碳 减少该零售商旗下的建筑群19%的二氧化碳排放10%IRR情景下，改造措施对于该零售商的影响经济性方面能源使用方面注：1 Therm=29.3 kWhrmi.org/16具有高成本效益的电网交互式节能建筑图9 达到10%IRR门槛的每幢建筑的改造措施门店#36-CA门店#100-FL门店#99-AZ门店#51-TN门店#96-KY门店#23-NY门店#112-FL门店#91-MS门店#81-CA门店#63-IN门店#104-IL门店#105-FL门店#26-WI门店#5-IL门店#106-MS门店#53-FL门店#31-IN门店#47-NC门店#88-AL门店#43-NC门店#89-TX门店#78-KS门店#33-IA门店#107-NC门店#58-NV门店#84-LA门店#94-WY门店#109-TX门店#38-AZ门店#90-TX门店#97-TN门店#111-OH门店#95-SC门店#65-AL门店#52-TX门店#92-NM门店#82-NV门店#86-TX门店#21-TX门店#73-AZ门店#110-MT门店#62-IA门店#14-VA门店#32-TN门店#71-TX门店#101-IA门店#83-GA门店#98-VA门店#113-IL门店#85-WA门店#10-MN门店#93-TN门店#79-TX门店#34-MA门店#29-SC门店#87-TX门店#19-MO门店#60-CA门店#40-CA门店#68-TX门店#12-NE门店#70-TX门店#64-KY门店#54-SD门店#42-MS门店#61-GA门店#44-NJ门店#69-WV门店#37-CO门店#59-CA门店#108-MO门店#20-TX门店#50-FL门店#55-CA门店#18-CO门店#13-MD门店#67-IL门店#3-VA门店#46-WI门店#27-OK门店#24-IN门店#49-UT门店#15-PA门店#28-MD门店#41-MN门店#66-AR门店#76-IN门店#22-CO门店#17-CO门店#45-WI门店#6-MN门店#25-NJ门店#8-PA门店#4-DE门店#2-WI门店#11-OH门店#1-IL备注：上图帮助确认哪些门店可以开展具有最高净现值潜力的试点项目。这些试点项目可以用来验证节能减排量和制定对于整个零售建筑集群的投资计划。太阳能光伏暖通空调照明外围护升级用电柔性生活热水（DHW）0净现值 50000100000150000200000250000rmi.org/17具有高成本效益的电网交互式节能建筑下表列出了内部收益率为10%和6%情况下成功的个别措施。降低投资回报率的要求将允许更多照明升级，安装更多屋顶光伏和热泵。图10 10%和6%IRR方案中的成功措施类别措施描述门店数量（10%IRR）门店数量（6%IRR）用电柔性分段开启加热和冷却热泵，以减少同时使用造成用电峰荷。可以调整当前的设备控制逻辑，开启循环风机和分段启动冷却/加热盘管，对于月度的峰值负荷进行管理。峰值负荷降低的目标值也应通过控制逻辑每月进行调整。6063安装一个与现有暖通空调系统连接的冰蓄冷系统03能效安装空气源热泵热水器（用于生活热水加热）1223更换集成传感器的LED灯具 4546更换集成传感器的LED灯具并接入EMIS系统 22将报废的灯具更换成带有集成式传感器的新LED灯具 610安装外窗镀膜 03在屋顶上铺设黑色屋顶膜 44在屋顶上安装白色反光薄膜1515将已到使用寿命的双层玻璃窗更换成三层两腔玻璃窗户。710将已到使用寿命的的燃气RTU更换成更高能效的型号。替换的设备应该包括一个调速电机、双焓经济器控制、风量调节和低压损空气滤芯。25电气化用热泵替换现有的已到使用寿命的RTU，并配备调速电机、双焓经济器控制、风量调节和低压损空气滤芯。811可再生能源安装规模合适的屋顶太阳能光伏系统。屋顶太阳能系统可以与用电柔性、节能和热泵相结合，实现门店的电气化。1951rmi.org/18具有高成本效益的电网交互式节能建筑内部收益率为6%的方案将投资门槛降低到6%IRR可以最大限度地提高建筑集群可投资的用电柔性、效率和可再生项目。主要结论：该零售商可以在确保760万美元净现值的情况下，减少37%的能源支出和27%的碳排放。虽然投资收回期比10%内部收益率方案略长，但该方案的净现值潜力是所有三个评估方案中最高的。该零售商旗下的近一半门店可以通过规模合适的屋顶太阳能满足每年的全部电力需求。在越来越多的城市和州政府设定碳排放目标的背景下，该方案将通过最大限度地提高能效、用电柔性和控制策略最小化该零售商所面临的风险。6%IRR情景下，改造措施对于该零售商的影响2350万美元投资机会760万美元（净现值）每年减少37%的能源支出7年投资收回期14387 MWh每年节省16%的电力4.8 MW每年减少16%的高峰时段需求（28657）Thermii每年增加4.8%的天然气用量每年减少11,381吨二氧化碳 整个建筑改造项目减少27%的二氧化碳排放经济性方面能源使用方面注1 Therm=29.3 kWhrmi.org/19具有高成本效益的电网交互式节能建筑图11 满足6%IRR门槛的每幢建筑的改造措施门店#91-MS门店#99-AZ门店#100-FL门店#36-CA门店#32-TN门店#106-MS门店#53-FL门店#81-CA门店#112-FL门店#105-FL门店#78-KS门店#38-AZ门店#65-AL门店#89-TX门店#94-WY门店#26-WI门店#73-AZ门店#83-GA门店#84-LA门店#5-IL门店#47-NC门店#86-TX门店#51-TN门店#82-NV门店#33-IA门店#95-SC门店#43-NC门店#107-NC门店#10MN门店#109-TX门店#90-TX门店#88-AL门店#92-NM门店#23-NY门店#21-TX门店#31-IN门店#14-VA门店#101-IA门店#97-TN门店#42-MS门店#85-WA门店#71-TX门店#40-CA门店#93-TN门店#76-IN门店#39-AL门店#98-VA门店#29-SC门店#34-MA门店#79-TX门店#19-MO门店#70-TX门店#52-TX门店#24-IN门店#87-TX门店#44-NJ门店#58-NV门店#110-MT门店#111-OH门店#68-TX门店#13-MD门店#108-MO门店#9-TX门店#37-CO门店#69-WV门店#60CA门店#63-IN门店#30-OH门店#59-CA门店#77-WA门店#20-TX门店#2-WI门店#17-CO门店#67-IL门店#3-VA门店#18-CO门店#46-WI门店#27-OK门店#49-UT门店#15-PA门店#28-MD门店#66-AR门店#41-MN门店#22-CO门店#25-NJ门店#4-DE门店#54-SD门店#45-WI门店#6-MN门店#1-IL门店#8-PA门店#11-OH备注：上图识别出哪些门店可以开展具有最高净现值潜力的试点项目。这些试点项目可以用来验证节能减排量和制定对于整个零售建筑集群的投资计划。太阳能光伏暖通空调照明外围护结构升级用电柔性生活热水（DHW）0净现值 50000100000150000200000250000300,000350,000rmi.org/20具有高成本效益的电网交互式节能建筑照明升级和屋顶太阳能贡献了该方案中碳减排总量的71%。用于供暖和生活热水(Domestic Hot Water,DHW)的热泵贡献了额外的26%。在该零售商现有的用电柔性措施的基础上进行改进，可以用最少的投资减少1.5%的碳排放。这些结果表明了成本优化分析之后的改造方案的碳减排潜力如果把碳作为主要关注点，将实现更大的减排潜力。图12 6%内部收益率下各措施的碳减排潜力下图显示了6%内部收益率情景下的不同措施对整个建筑集群终端用能量的影响。这些措施减少了制冷、室内照明和其他系统（风机、泵和水系统）的能耗。由于高能效照明设备的采用减少了内部得热，供暖负荷略有增加。图13 采用6%内部收益率方案每个终端用途的平均能耗28.2%照明0.4%外围护结构升级1.5%用电柔性5%生活热水每年平均kBtu/ft2减少26%减少20%减少45%增加5%改造后基准1512963021.4%暖通空调43.5%太阳能光伏其他(风机、泵、水系统)制冷 室内照明室内设备供暖（电+气）室外照明rmi.org/21具有高成本效益的电网交互式节能建筑热泵方案用热泵取代报废的燃气RTU将有助于该建筑改造项目逐渐实现脱碳化。热泵方案使用了与10%内部收益率方案相同的措施组合以及节能型热泵RTU和用电柔性措施来减少由电气化而增加的峰值负荷。我们发现有19家门店达到了10%内部收益率门槛。主要结论：热泵、屋顶光伏、节能措施和用电柔性之间存在着协同效应。如果该零售商只安装热泵RTU而不与屋顶光伏、节能措施和用电柔性升级相结合，只有8家门店达到目标IRR，而在结合的情况下有19家门店达到目标IRR。通过采用该投资方案，零售商可以减少28%的能源支出和20%的碳排放，该方案的投资额为440万美元，投资收回期为5.5年。在19家达到投资门槛的门店中，只有4家门店从燃气供暖转为热泵；其余15家采用高能效热泵的门店目前均使用电直热采暖。照明改进增加了一些门店供暖的燃气使用量。目前，24个州和地区已采取立法或行政行动以期在未来使用100%的清洁能源。7 该路线将帮助这些零售门店以及该零售商拥有的建筑集群满足未来的法律或市场要求。在该零售商拥有的建筑群中，19家零售门店可以使用高能效RTU热泵（与其他措施相结合）满足10%的内部收益率门槛，总投资额为820万美元，投资收回期为6.6年，最终净现值为190万美元。这19家门店分布在不同的气候区，拥有不同的电价结构。虽然没有一家在寒冷气候区的门店实现了具有高成本效益的热泵措施组合，但电气化的经济性正在不断提高，可以电气化的门店数量将逐渐增加。关注二氧化碳热泵将使得零售门店匹配美国创新和制造(American Innovation and Manufacturing,AIM)法案，该法案的目标是在未来15年内逐步淘汰传统制冷剂。8热泵情景下，改造措施对于该零售商的影响1400万美元投资机会440万美元（净现值）每年减少28%的能源支出5.5年投资收回期13583 MWh每年节省15%的电力4.7 MW每年减少16%的峰值用电需求（12285）Thermiii每年增加2%的天然气用量每年减少8,344吨二氧化碳 减少该零售商旗下的建筑群20%的二氧化碳排放经济性方面能源使用方面注：1 Therm=29.3 kWhrmi.org/22具有高成本效益的电网交互式节能建筑电池储能措施的经济性日益提升基于对于电池储能节能措施、电气化和可再生能源措施之间协同作用的模拟，本分析确定了五座建筑作为电池储能试点的候选者。这五座建筑的内部收益率都超过10%。通过结合电池储能和屋顶太阳能光伏系统，能够实现门店营业时段峰荷需求的减少并实现经济协同效益的最大化。我们在分析中未发现电池储能的成功与气候区或电价类型之间有任何直接的关联，但可能有几个相互关联的因素推动了这些门店的成功。在过去的三年里，商业化的电池储能成本下降了15%，预计到2030年还会继续下降。9 这一趋势将使电池储能在未来几年内变得越来越可行，目前从试点中获得的经验也将可以在更大范围的建筑群中获得推广。图14 1 MW/1 MWh项目中一个完整储能系统的基准投资成本备注：图中所示的是商业规模储能系统的成本迅速下降。“PCS”是“储能变流器”(Power Conversion System)，“EPC”是“工程、采购和施工”(Engineering,Procurement,and Construction)资料来源：彭博社新能源财经2017年 不变价$/kWh电池组系统平衡EPC 开发商利润PCS能源管理系统开发商管理费用rmi.org/23具有高成本效益的电网交互式节能建筑改造措施分析在各气候区和电价类型中的可行性我们通过一项分析探究了有效的措施和气候/位置因素之间的相关性。该分析关注气候区、电价类型或天然气和电力的价格差异（即建筑自身条件之外的因素）是否影响了措施的有效性。分析结果显示，这些外部因素与建筑自身条件将共同决定每家门店特有的改造措施组合。气候区：虽然有些措施在所有气候区都是经济可行的，但该分析表明了几个值得注意的地方。图15 气候区地图和名称、资料来源：美国能源部美国建筑计划 在模拟改造方案的过程中，没有一个气候区的方案有效性明显高于其他气候区。高能效热泵在南方气候区取得了成功（10%内部收益率）。在屋顶铺设黑色薄膜只在寒冷、海洋性和混合湿润气候区取得成功。照明措施在所有气候区均取得成功（地点和经济回报之间没有关联）。需求管理/屋顶太阳能措施在所有气候区均取得成功（地点和经济回报之间没有关联）。气候区 门店数量极寒寒冷干燥 干热混合干燥 湿热 混合潮湿海洋性14219122343rmi.org/24具有高成本效益的电网交互式节能建筑电价类型：我们将这些零售商门店的各种电价定性为七种主要的电价类型（更详细的定义见图5）。研究在对结果进行各种相关性检验后发现，虽然每种电价类型下有效的措施存在差异，但无论电价构成如何，都有一些措施可以为整个建筑集群减少成本和碳排放。没有任何一种电价类型是引起整个建筑改造项目的措施成功/失败的必要指标。需求管理策略需求响应（DR）计划能够同时为电网和零售商带来价值。它可以帮助电网运营商管理紧急情况下的峰荷需求，同时奖励那些能够适时减少负荷的建筑。许多建筑已经参与了DR计划，它们实施了一些需求侧响应的策略，如在峰值负荷来临前进行预冷，以及在DR事件IV中降低设定温度并关闭所有风机和压缩机。该零售商现有的DR策略十分有效，已经实现了大部分降本潜力。我们分析了调节照明是否具有效果，但发现进一步降本的潜力很低。由于需求响应带来的收益会因为供电部门激励的变化而不断变化，因此每年的DR事件数量以及联邦和州的政策都会影响收益潜力。全年管理峰值负荷需求的措施比传统的DR计划更具成本效益。持续管理峰值负荷需求每月都能带来收益，而且没有改变特定DR计划的风险。该零售商目前采用自动化控制逻辑在夏季对RTU压缩机进行分时段控制以防止同时出现峰荷，以此管理需量电费。在本研究所评估的一半以上的门店中，升级控制逻辑实现对于每月峰值负荷需求的管理能够以最小的投资提高需求管理的收益。IV DR事件指用户被要求降低能源消耗，从而应对高电网负荷的特定时刻。DR事件也被称作“节能事件”，“峰值事件”等。rmi.org/25具有高成本效益的电网交互式节能建筑电网交互式节能建筑对电力需求的影响图16展示了三种不同投资方案下，65号门店（阿拉巴马州，ASHRAE气候区2A：湿热）每月峰值负荷需求相较于基准需求的变化。实施组合措施带来了两个好处：a）减少年能耗量和相关的能源成本；b）降低峰值负荷需求并在可行条件下实行削峰填谷以减少电费。该建筑是一个全电建筑，在冬季清晨就会产生电力需求峰荷。在所有三个方案中，由于我们将高能效热泵与其他措施相结合，该建筑的每月峰荷需求降低了50%。图16 门店#65（阿拉巴马州）：每月电力峰值负荷对比当前使用燃气供暖系统的建筑如果转向使用电热泵供暖，将增加冬季的总电力需求。虽然在这种情况下电费较高，但通过将热泵与节能、用电柔性和屋顶太阳能措施相结合，可以减少需量电费的增加。在我们分析的所有气候区中，我们选择了阿拉巴马州和纽约州的门店来展示我们的措施对需求曲线的影响。这两家门店在冬季和夏季分别由于使用电供暖和制冷系统而出现峰荷负荷。图17详细说明了23号门店（纽约州，ASHRAE气候区4A：混合湿润）的每月峰值用电需求。全面的电气化转型方案将最大程度地减少冬季峰值负荷带来的风险，这又将使电网运行稳定并减少账单费用。在23号门店的案例中，我们看到由于热泵RTU的应用，峰荷从夏季转移到冬季。但冬季峰值并不比夏季峰值高出多少。措施：门店#65（AL）内部收益率为10%的方案：热泵RTU+屋顶太阳能内部收益率为6%的方案:用电柔性+热泵RTU+屋顶太阳能热泵方案：电池储能+热泵RTU+屋顶太阳能年度峰荷需求基准：1月（471.4 kW）kw三个模拟方案的年峰荷需求是基准年峰荷的近一半6%内部收益率方案的峰荷需求：8月（201.6 kW）10%内部收益率方案的峰荷需求：8月（222 kW）热泵方案的峰荷需求：8月（199.8 kW）1月7月4月10月2月8月5月